Nội dung

HỆ ĐIỀU KHIỂN NỘI DUNG BÀI GIẢNG 1. Các cơ chế điều khiển chuyển động • Điều khiển chuyển động cơ cấu chấp hành điện • Điều khiển chuyển động cơ cấu chấp hành khí nén, thủy lực 2. Điều khiển cơ cấu chấp hành áp điện • Thiết kế bộ điều khiển • Bộ điều khiển Analog • Bộ điều khiển số ( BĐK Rơle, BĐK PLC, BĐK Máy tính ) 3. Điều khiển nâng cao • Kỹ thuật giám sát tình trạng • Hệ thống Cơ điện tử trong N/M sản xuất tự động • Trí tuệ nhân tạo trong Cơ điện tử • Điều khiển mờ và ứng dụng trong Cơ điện tử HỆ ĐIỀU KHIỂN I. Các cơ chế điều khiển chuyển động • Hệ thống cơ điện tử dùng cơ cấu chấp hành hay truyền động là một phần của các quá trình vật lý dùng hiển thị và điều khiển . Cơ cấu chấp hành là kết quả tác động vật lý trực tiếp lên quá trình như lấy chi tiết từ trong hệ thống băng tải hay dùng lực tác động lên quá trình. Cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu công suất thấp truyền đến máy tính và sản sinh ra tín hiệu công suất cao tác động vào trong quá trình. Có nhiều loại thiết bị chấp hành, thường sử dụng như cơ cấu chấp hành điện từ (solenoid), điện thủy lực(electrohydralic), động cơ DC và Động cơ AC, Động cơ bước ( Stepper Motor), Động cơ áp điện, thiết bị khí nén . HỆ ĐIỀU KHIỂN 1. Điều khiển chuyển động cơ cấu chấp hành điện . a) Động cơ một chiều ( Direct Curent Motor ) •Các yếu tố lựa chon cơ cấu chấp hành cơ điện tử : + Mức độ chính xác + Độ chính xác truyền động và độ phân giải + Công suất yêu cầu cơ cấu chấp hành . + Giá thành thiết bị cơ cấu chấp hành • Động cơ DC là cơ cấu truyền động thông dụng nhất trong hệ cơ điện tử . Đông cơ DC là thiết bị điện từ có độ chính xác và điều khiển tốc độ liên tục ( vô cấp) trong miền tốc độ làm việc bằng các thay đổi điện áp đặt lên động cơ . •Đặc tính mong muốn ĐC một chiều là Momen xoắn cao, Khả năng điều khiển tốc độ trong miền rộng, Đặc tính Momen xoắn tốc độ và được sử dụng điều khiển nhiều loại khác nhau như máy công nghiệp, Hệ thống CNC, Van Servo, Robot công nghiệp HỆ ĐIỀU KHIỂN • Nguyên lý động cơ một chiều biến năng lượng điện thành chuyển động quay cơ học. Động cơ một chiều dùng nguyên lý dòng điện đặt trong từ trường tạo thành lực điện từ . • Động cơ một chiều gồm rô to dây quấn gồm nhiều cuộn dây quấn xung quanh roto có xẻ rãnh và dòng điện dẫn qua cuộn dây roto dây quấn từ cổ góp . Roto dây quấn đặt trong Satato dây quấn tạo thành các cặp cực . Lực điện từ tác dụng lên các cuộn dây của rô to dây quấn làm quay động cơ • Sơ đồ đông cơ 1 chiều và tải trọng HỆ ĐIỀU KHIỂN b) Mô hình toán học của động cơ 1 chiều : 1. PT Momem xoắn : T  K t I 2. PT Hiệu điện thế : V  K e Trong đó : - T : Momen xoắn trên trục ĐC (N.m ) -V : Hiệu điện thế ( V) - I : Cường độ dòng điện trong cuộn dây roto ( A) - θ : Góc quay trục ĐC ( rad ) - Kt : Hệ số Momem xoắn ( Nm/A ) - Ke : Hệ số điện thế ( V/rad/s) HỆ ĐIỀU KHIỂN PT hiệu điện thế đặt vào cuộn dây theo các điện áp rơi RI qua trở kháng cuộn dây : Vm di  R a i  La V dt Trong đó : Vm : Hiệu điện thê ở 2 đầu cuộn dây (V) - Ra : Trở kháng của cuộn dây (Ώ) -La : Cảm kháng của cuộn dây (H) .. -I : Cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây (A) HỆ ĐIỀU KHIỂN PT Momem xoắn trên trục động cơ bao gồm Momem quán tính của Roto, Momem ma sat và Momem tren trục động cơ : T  J  B  TL Trong đó : J – Momem quán tính của Roto . -B : Hệ số giảm chấn - T L : Momem tác dụng trên trục động cơ . • Đặc điểm động cơ DC : • Tốc độ cao – Momem xoắn nhỏ . Động co DC dùng làm Co cấu chấp hành với hộp giảm tốc để giảm tốc và tăng momem xoắn . •Momen xoắn tỷ lệ dòng điện phần ứng . • Động cơ Secvo DC dùng cho máy CNC và Robot HỆ ĐIỀU KHIỂN • Ví dụ : Động cơ DC với nam châm vĩnh cửu dùng nâng khối lượng như hình 2 . Viết PT quan hệ giữa điện thế dùng trong động cơ và chuyển vị góc quay của trục động cơ và dịch chuyển của khối lượng treo . Giả sử rằng bỏ qua dây treo giãn dài và ma sát giữa dây và ròng rọc . H2. Hệ thống ĐC-DC+HGT BR H2. Hệ thống ĐC-DC+HGT BR ở trạng thái tự do HỆ ĐIỀU KHIỂN Khi ròng rọc A quay góc θG theo chiều kim đồng hồ thì khối lượng m dich chuyển quảng đường : y = r.θG • PT chuyển động của khối lượng m (ĐL II Newton ) F my  mg mr  mg • PT chuyển động của ròng rọc A : TLG  Fr mr 2  mgr • PT Momen trên đầu ra HGT : TL TLG mr 2 G mgr    G G G • PT góc quay trục động cơ và góc quay ròng rọc : • PT Momen đầu ra HGT : G   G TLG mr 2 mgr TL    2 G G G HỆ ĐIỀU KHIỂN mr 2 mgr T  J  B   2 G G • PT cường độ dòng điện trong động cơ : T J B mr 2 mgr • PT Momen trên trục động cơ : i  Kt  Kt  Kt  KtG 2  KtG  di J B mr 2 mr 2   B       J   dt Kt Kt G  K t Kt K t G 2  • PT hiệu điện thế trong động cơ :   J B mr 2 mgr  mr 2   B    La   J      K   Vm  Ra     2 2  G  Kt Kt  KtG   Kt Kt KtG  • Giả sử Kt và Kθ ( HS Momen và HS điện thế bằng K :   mgr 1  mr 2  mr 2  2   ( BRa  K )  V m  Ra   J  2   La    JRa  BLa  Ra 2 G  KtG k  G    HỆ ĐIỀU KHIỂN 1. Điều khiển chuyển động cơ cấu chấp hành điện . b. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu • Trong những năm gần đây, động cơ bước đã xuất hiện phương án thay thế có hiệu quả trong điều khiển chuyển động . •Động cơ bước là cơ cấu chấp hành chuyển đổi xung điện thành chuyển vị góc, đều và chính xác của roto theo dạng bước. Rôt được định vị trí bằng đường sức từ của răng rôt và stato, điều này xuất hiện khi khe hở không khí giữa cặp răng roto và stato nhỏ nhất và thẳng hàng. • Phân loại động cơ bước : Phân loại động cơ bước theo cuộn kích từ : + Động cơ bước kích từ cưỡng bức thay đổi (Variable Reluctance (VR) Stepper Motor ) + Động cơ bước nam châm vĩnh cữu (Permanent magnet (PM) stepper Motor ) HỆ ĐIỀU KHIỂN • Động cơ bước VR, cuộn dây stato được kích từ tuần tự và nguyên nhân làm cho roto sẽ định vị để cho từ trường kích thích nhỏ nhất giữa roto và stato. • Động cơ bước PM, đường sức kích từ được tạo ra bởi nam châm vĩnh cữu. Động cơ bước PM có bước từ nhỏ hơn động cơ bước VR. •Bước động cơ có giá trị từ 1.80 so với 150, làm cho độ chính xác vị trí cao hơn . Hơn nữa, momem xoắn trên đơn vị thể tích của động cơ bước nam châm vĩnh cữu (PM) cao hơn kích từ cưỡng bức (VR) • Momen xoắn của ĐC kích từ vĩnh cửu (PM) dưới 3.5Nm •Momen xoắn của ĐC kích từ cưỡng bức(VR) dưới 14 Nm. •Động cơ PM có dãy công suất nhỏ ( Cỡ 23 hoặc cỡ 34 thương mại ) •VD : ĐC 4 pha, cỡ 23 có momen xoắn 0.7Nm và tốc độ 30000 bước trên giây (sps) khi đó cỡ 34 có momen xoắn gấp 3 lần và tốc đô 1/3 ssp . HỆ ĐIỀU KHIỂN •Động cơ bước có giá thành thấp nên thường được dùng trong các cơ cấu chấp hành . Phần chiếm tỷ trọng trong giá thành là mạch truyền động. Nó thích hợp cho việc dùng điều khiển mạch hở (opend-loop) do độ chính xác của nó và sai số vị trí không tích lũy . •Động cơ bước có đặc tính như thiết bị rời rạc, và nó dễ dàng điều khiển từ thuất toán máy tính, độ ổn định cao. Động cơ bước có thiết kế không cổ góp nên không mòn . • So với động cơ servo DC, động cơ bước có momen xoắn nhỏ hơn, tốc độ chậm hơn, dao động cao hơn. Tuy nhiên các ưu điểm của động cơ bước được sử dụng nhiều làm cơ cấu chấp hành . c) Nguyên lý hoạt động động cơ bước dùng nam châm vĩnh cứu Xem hình vẽ HỆ ĐIỀU KHIỂN • ĐC bước bao gồm stato với số cực , ví dụ trên hính ĐC bước với số cực =4, mội cực được quấn cuộn dây- cuộn dây trên cặp cực đối diện ngược chiều nhau . Stato có 2 bộ cuộn dây trên pha 1 và pha 2. Mồi cực liền kề cách nhau góc 900. Rôt có có 2 nam châm vĩnh cữu có 2 cực khác nhau . Nguồn điện DC cung cấp dòng điện chạy qua cuộn dây qua công tắc tuần tự và rôt sẽ quay trong từ trường stato tương ứng. H.3. Nguyên lý ĐC bước HỆ ĐIỀU KHIỂN c) Tiếp cận mô hình Mo hình hóa và mô phỏng động cơ có 4 pha ( 8 cuộn dây ), cỡ 23, bước PM là 1,80, dãy tốc độ 0-1000 sps. Động cơ gắn với tải trọng quán tính bao gồm khối lượng roto, 0,04kg-m2 và độ giảm chấn 0,5Nm/rad/s. Động co truyền động 4 pha điện áp 20V, xung 2A cho mỗi pha . HỆ ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỀU KHIỂN Bài tập : mô phỏng chuyển vị góc của động cơ . Dùng MATLAB mô phỏng dáp ứng của hệ thống mô tả trên hình với điện áp đặt vào 10V-DC dùng số liệu của động cơ hôp số bánh răng cỡ 23 của hãng Shayang số model IG420049-SY3754. • Điện trở phần ứng : Ra = 20,5Ώ •Cảm kháng : La = 168µH •Hằng số động cơ k=0,032Nm/A •Tỷ số truyền bánh răng : G=49 •Khối lượng m=1,125KG •Bán kính pulley : R=0,0222